Актуальное

Новые горизонты Арктики

На минувшей неделе в Москве произошло знаковое событие — выборы нового президента Российской академии наук. В программе избранного президента — академика Александра Сергеева — были четко сформулированы проблемы, препятствующие гармоничному развитию фундаментальных и прикладных исследований, что с неизбежностью приводит к торможению реализации Стратегии научно-технологического развития России. Для выхода из кризисного состояния науки в стране предлагается решить ряд первоочередных задач, важнейшими из которых являются возрождение программы интеграции высшей школы и академической науки, а также активизация деятельности по восстановлению позиций российской науки в мире. В этом контексте показателен пример создания Международного арктического сибирского научного центра (International Arctic Siberian Scientific Center, IASSC) на научно-технологической и образовательной платформе Томского политехнического университета. 

Фотографии, использованные в материале, предоставлены участниками арктических экспедиций. 

«Арктическая» история началась в ТПУ с того, что в 2014 году научная группа во главе с членом-корреспондентом РАН Игорем Семилетовым получила грант Правительства РФ на проведение научных исследований на тему «Сибирский арктический шельф как источник парниковых газов планетарной значимости (количественная оценка потоков и выявления возможных экономических и климатических последствий деградации подводной мерзлоты)». Для выполнения проекта была создана Международная научно-образовательная лаборатория изучения углерода арктических морей (МНОЛ УАМ). За  неполные четыре года она организовала и выполнила ряд комплексных экспедиций в арктические моря России. Экспедиции позволили выявить основные процессы, ответственные за дисбаланс в цикле углерода, приводящие к эмиссии парниковых газов в атмосферу, а также выполнить первые оценки влияния деградации подводной мерзлоты на массированный выброс метана из донных осадков Восточно-Сибирского шельфа на климат и экологическую ситуацию на маршруте Северного морского пути.

В 2015 году грант Российского научного фонда, направленный на исследование «Динамики транспорта и трансформации углерода в арктической системе “суша-шельф-атмосфера” в условиях глобального потепления и деградации мерзлоты» получила научная группа под руководством профессора ТПУ Натальи Шаховой. Она является первым автором ряда статей, опубликованных в журналах «Доклады Академии наук», «Вестник Российской академии наук», Geophysical Research Letters, Journal Marine Sciences, Journal Geophysical Research, Science, Nature Geoscience, Nature Communications. В этих публикациях впервые было показано, что аномалии в содержании метана в водной толще и приводном слое атмосферы свидетельствуют о значительной степени деградации подводной мерзлоты, которая ранее считалась сплошной. Именно эти работы привлекли внимание мирового сообщества к проблеме изучения роли подводной мерзлоты как фактора геологического контроля массированного выброса метана из донных отложений Восточно-Сибирского шельфа (ВСШ) в водную толщу-атмосферу. Кроме того, были выявлены и исследованы основные процессы, ответственные за транспорт и трансформацию углерода (С), включенного в современный биогеохимический цикл в арктической системе «суша-шельф» за счет расконсервации гигантского С-пула мерзлоты, который деградирует в результате потепления климата. Отметим, что при условии образования глубоких таликов (заглубления кровли подводной мерзлоты глубже 100 метров) неизбежна дестабилизации пула газовых гидратов донных осадков ВСШ, что может привести к многократному увеличению концентрации метана в атмосфере. Вопрос о реалистичности этого сценария в ближайшем будущем остается открытым и требует проведения крупномасштабных комплексных морских исследований на акватории ВСШ синфазных с аэрокосмическими исследованиями. 

За короткий срок ТПУ стал международным центром комплексных исследований Сибирского арктического шельфа благодаря эффективной интеграции интеллектуального и материально-технического потенциала ТПУ и лаборатории арктических исследований Тихоокеанского океанологического института им. В.И. Ильичева Дальневосточного отделения РАН (ТОИ ДВО РАН) в рамках деятельности МНОЛ УАМ, а также активном участии в работе ведущих ученых Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН, ИОРАН (группа член-корреспондента РАН Л.И. Лобковского и профессора Е.В. Романкевича), Московского государственного университета (группа созданна Н.Н. Романовским — крупнейшим в мире специалистом по изучению мерзлоты), Института физики атмосферы им. А. Обухова РАН, Института химии ДВО РАН. 

Наиболее крупный международный резонанс получили результаты национальных (2015, 2016, 2017 годы) и международных (2014 год) экспедиционных исследований в морях Восточной Арктики, организованных и выполненных в результате интеграции усилий ТПУ и ТОИ ДВО РАН, а также партнеров из России, Швеции (Стокгольмский университет, Гетеборгский университет), Нидерландов (Утрехтский университет, Свободный университет Амстердам), Великобритании (Манчестерский университет), США (Университет Аляска Фэрбанкс) и Италии (Болонский университет). Впервые в практике изучения Северного Ледовитого океана в 2014 году (90 суток на борту научного ледокола «Оден») и в 2016 году (45 суток на борту научно-исследовательского судна «Академик М.В. Лаврентьев») были выполнены полномасштабные комплексные биогеохимические, геофизические, метеорологические и геологические исследования на ВСШ — самом мелководном и широком шельфе Мирового океана, а также в водосборах крупнейших Сибирских рек: Оби (2016 год) и Лены (2017 год). Кроме того, в зимний период были выполнены две океанологические экспедиции с научным колонковым бурением припайного льда в море Лаптевых (март-апрель, 2014 и 2015 год).

Результаты исследований, проводившихся в 2014-2017 годах, были опубликованы в 65 статьях в ведущих мировых изданиях. 

Например, издания Biogeosciences, Climate in Past, Cryosphere, Deep-Sea Research, J. Geophysical Research, Geophysical Research Letters, Global Biogeochemical Cycles, Marine Chemistry, Nature Communications, Nature Geoscience, Permafrost Periglacial Processes, Philosophical Transactions of the Royal Society, Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), Доклады РАН и другие (полный список публикаций →). Ниже приведены избранные результаты прорывного характера — принципиально новые результаты, которые приводят к пересмотру сложившихся парадигм:

Величина пузырькового переноса из донных отложений ВСШ в водную толщу изменяется на пять порядков (от 10-3 до 102 граммов с квадратного метра в сутки) в зависимости от состояния подводной мерзлоты.

Консервативная оценка выброса метана с акватории ВСШ, основанная на многолетних наблюдениях, составляет примерно 17 млн тонн в год, что примерно в два раза выше величины предложенной IPCC (2007) для всего Мирового океана, причем в эту оценку не входят массированные выбросы метана в районах мега-факелов (мощных струйных систем в поперечнике больше 1000 метров). 

В воздухе над районами массированной разгрузки пузырькового метана зарегистрированы аномально высокие значения содержания атмосферного метана. 

В последние 30 лет скорости вертикальной деградации подводной мерзлоты удвоились по сравнению с предыдущими столетиями и достигли величины 18 см в год, что на порядок выше ранее принятых оценок. 

В ряде районов ВСШ было обнаружено заглубление кровли подводной мерзлоты в зону стабильности гидратов, что пространственно коррелирует с наличием массированных выбросов пузырькового метана. 

Доказано, что мелкозалегающий акустический рефлектор, широко распространенный в донных осадках арктических морей, объясняется существованием газового (метанового) фронта (ГФ), а не является кровлей подводной мерзлоты, как было принято считать ранее. 

ГФ движется вверх со скоростью до пяти метров в год и выше, что приводит к массированному выбросу пузырькового метана в воду при достижении ГФ поверхности осадка

Многочисленные борозды ледового выпахивания ускоряют пузырьковый выброс метана за счет достижения ГФ поверхности осадков. 

На основе многолетних исследований полного изотопного состава метана водной толщи и донных осадков ВСШ показан смешанный генезис метана с преобладанием биогенной компоненты, причем диапазон изменчивости стабильных изотопов и радиоуглерода метана значительно зашкаливает за пределы ранее известной изменчивости. 

Ожидаемый результат о плейстоценовом возрасте метана в ВСШ в целом подтвердился. Однако в ряде проб осадков и воды обнаружен супер-молодой радиоуглеродный возраст метана, что может свидетельствовать либо о стоке подмерзлотных грунтовых вод из районов многочисленных подземных ядерных взрывов в северной Якутии с последующей разгрузкой на акватории ВСШ, либо о существовании природного ядерного реактора (аналог Окло во французском Габоне) на больших глубинах. 

Впервые в морях Северного Ледовитого океана обнаружена и задокументирована радиометрическими, гидрологическими и электромагнитными методами разгрузка подмерзлотных грунтовых вод. 

Выявлен ранее неизвестный механизм подкисления (асидификации) вод ВСШ за счет окисления эрозионного органического вещества и речного эффекта разбавления вод, а не за счет поглощения атмосферной избыточной двуокиси углерода, как во всем Мировом океане. 

Экстремальная асидификация вод ВСШ приводит к угнетению бентосных организмов (макробентос — основной корм для моржей, которые составляют значительную часть диеты белых медведей) и уже зашкаливает модельные предсказания, сделанные AMAP (2015 год) на конец 21-го века.

Эти результаты являются основанием для уточнения и возможного пересмотра отдельных положений современной геологии, особенно в части уточнения процессов вертикальной миграции газо-жидкостных флюидов в сейсмо-тектонически активных районах арктических морей, и потенциальной роли арктических морей России в балансе атмосферного метана-усилении потепления климата. Результаты многолетних исследований биогеохимических особенностей в морях Восточной Арктики могут стать основанием для создания концепции экологической безопасности по маршруту Северного морского пути. Кроме того, новые знания в области состояния подводной мерзлоты, в контексте дестабилизации гидратов, и массированных прорывов глубинного флюида могут быть критически важными для избежания аварийных ситуаций, который могут возникнуть при разведке и эксплуатации углеводородных ресурсов российского арктического шельфа, а также при прокладке оптоволоконного кабеля в рамках Евразийской кооперации под эгидой России и Китая.

Поэтому начиная с 2018 года, планируется организация ежегодных трансарктических экспедиций на флагмане научно-исследовательского флота РАН, научно-исследовательском судне «Академик Мстислав Келдыш», с выполнением комплексных и междисциплинарных исследований учеными РАН и высшей школы по маршруту Архангельск-Владивосток, Владивосток-Архангельск.

Этот план был предварительно согласован на уровне трех избранных вице-президентов РАН и ряда членов бюро Президиума РАН. Предполагается, что научно-технологическая платформа ТПУ будет играть важную роль в возрождении интеграции высшей школы и академической науки в области исследования арктического шельфа России.

Весной 2018 года в Стокгольме состоится очередной симпозиум, посвященный развитию сотрудничества в рамках Международного арктического сибирского научного центра (основанного в ТПУ в 2016 году), в котором примут участие ведущие ученые из семи стран (России, Швеции, Нидерландов, Великобритании, Италии, Германии и США). Это будет способствовать развитию взаимовыгодного международного сотрудничества и закреплению лидирующей роли российских ученых в области исследования Арктики. 

Профессор Игорь Семилетов

Адрес страницы: http://news.tpu.ru/actual/2017/10/10/27735/